KAIST, 리튬 금속 배터리 ‘망가지는 순간’ 첫 포착…전기차 성능 높일 핵심 단서

나노 수준 관찰로 ‘죽은 리튬’ 생성 순간 포착 “리튬 배터리 충전할수록 성능 급저하한 이유” 표면 구조 거칠수록 배터리 수명 빠르게 단축 실시간 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM) 측정 과정의 개요.KAIST 제공 국내 연구진이 리튬 금속 배터리의 열화가 시작되는 순간을 나노 수준에서 직접 관찰하며 성능 저하의 근본적인 원인을 밝혀냈다. 전기차 주행거리는 늘리고 차세대 배터리 상용화를 앞당길 중요한 전환점이라는 평가가 나온다. 한국과학기술원(KAIST)는 홍승범 교수 연구팀이 차세대 배터리 핵심 부품인 리튬 금속 음극의 열화 메커니즘을 규명했다고 10일 밝혔다. 리튬 금속은 기존 배터리보다 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있어 차세대 배터리 핵심 소재로 꼽힌다. 하지만 충·방전을 반복하면 성능이 빠르게 떨어지는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다. 특히 충전 과정에서 리튬이 고르게 쌓이지 않고 일부가 떨어져 나가 전기가 통하지 않는 ‘죽은 리튬’이 생기면 배터리 성능 저는 물론 발열·안전 문제로 이어질 수 있다. 이에 연구팀은 배터리 내부 변화를 실시간으로 관찰할 수 있는 ‘실시간 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM)’을 활용해 리튬이 쌓이고 사라지는(도금-탈리) 과정을 나노 수준에서 추적했다. 그 결과 리튬 반응은 표면 전체에서 균일하게 일어나는 것이 아니라 특정 지점에서 선택적으로 발생한다는 사실을 확인했다. 특히 표면이 거칠거나 미세한 구멍이 많은 다공성(porous) 영역에서는 리튬이 빠져나간 뒤 빈 공간이 쉽게 생겼고, 이 과정에서 전기적으로 고립되는 ‘죽은 리튬’이 만들어졌다. 연구팀은 이런 현상이 배터리 성능 저하의 직접적 원인이라는 점을 밝혀냈다. 이번 연구는 리튬 금속 배터리가 어디에서 어떤 방식으로 손상되는지를 실험적으로 규명했다는 데 의미가 있다. 더 나아가 리튬이 처음 형성되는 ‘초기 표면 형상’이 배터리의 장기 수명을 좌우하는 핵심 요소라는 점도 확인했다. 왼쪽부터) KAIST 홍승범 교수, 김성현 석-박사통합과정(제1저자), 최영우 박사, 조윤한 박사.KAIST 제공 연구팀은 앞으로 리튬이 균일하게 형성되도록 표면 구조를 정밀하게 제어하면 배터리 수명과 안정성을 크게 높일 수 있을 것으로 전망했다. 이는 전기차 주행거리 증가와 장수명 차세대 배터리 개발을 동시에 실현할 수 있는 설계 방향을 제시한 셈이다. 홍승범 교수는 “이번 연구는 배터리 성능 저하의 원인을 나노 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다”며 “보다 오래가고 안전한 차세대 배터리 개발을 위한 중요한 기반이 될 것”이라고 밝혔다. ACS Energy Letters 표지논문 선정 사진 한편 이번 연구는 신소재·화학·화학공학 분야의 국제적 권위 학술지인 ‘에이시에스 에너지 레터스( ACS Energy Letters)’의 표지논문으로 선정돼 2026년 2월 24일자로 게재됐다.